曾广平 康盛伟 唐 斌 黎 杰 王 培

自动计划因为能够尽量避免计划设计者在设计放射治疗计划时的人为失误，与不同设计者设计计划的差异，以及避免大量的人为干预调停来进行调试的优势，而被广泛采用[1-2]。Pinnacle39.10自动计划确实能够使危及器官(organ at risk，OAR)的受照射剂量更低，靶区的适形度更好[3]。然而，目前缺少对自动计划相对手动计划设计的客观评价研究。为此，本研究旨在应用标准剂量验证模体和剂量目标作为客观评价标准，评估自动调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy，IMRT)计划在临床中的应用价值。

1 材料与方法

1.1 设备与材料

放射治疗设备采用Axesse型加速器(瑞典医科达公司)。

1.2 标准模体和标准靶区勾画

本研究使用的美国医学物理学会(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)第119号报告所用标准模体和标准靶区勾画[4]。所用模体有多靶区模体、前列腺模体、头颈模体、Cshape结构模体(简单、复杂)4种。多靶区模体为上、中、下3个圆柱形靶区，并拥有同一个旋转轴，每个靶区的直径和长度均为4 cm，多靶区模体冠状面和横断面见图1。

前列腺模体为前列腺临床靶区(clinical target volume，CTV)、计划靶区(planing target volume，PTV)、OAR直肠和膀胱。前列腺CTV是一个左右、上下及前后尺寸分别为4.0 cm、2.6 cm和6.5 cm的椭圆形器官。PTV是在CTV的基础上各个方向扩大0.6 cm。直肠是一个直径为1.5 cm紧邻前列腺后方成犬牙交错的椭圆形器官。膀胱是一个左右、上下及前后尺寸分别为5.0 cm、4.0 cm和5.0 cm，位置在前列腺的后方，前列腺模体冠状面和横断面见图2。

图2 前列腺模体示图

头颈模体包括头颈PTV、脊髓和腮腺。PTV从皮肤向内缩进0.6 cm，脊髓和靶区之间相隔1.5 cm，腮腺在PTV的上面并且被隔开。横断面和3D显示见图3。

图3 头颈模体示图

Cshape模体包括PTV和脊髓。中心位置的脊髓是一个半径为1 cm的圆柱体，脊髓和PTV之间的距离是0.5 cm。因此，PTV内侧圆弧半径为1.5 cm，PTV外侧圆弧半径是3.7 cm。PTV长度为8 cm，脊髓长度为10 cm。横断面和3D显示见图4。

图4 Cshape模体示图

1.3 剂量设定目标

在每个标准靶区勾画的剂量设定目标中，使用AAPM第119报告中所用标准模体和标准靶区勾画，在设计放射治疗计划时以AAPM第119号报告中九家医院计划的平均值为参考指标，除多靶区模体Central靶区剂量(D10)和Cshape模体(复杂)未达到要求外，其余指标在很大程度上优于给出剂量目标和AAPM平均值。

1.4 计划评估

利用Pinnacle39.10计划系统对AAPM第119号报告中所使用模体的靶区勾画分别做Auto-IMRT和Manual-IMRT放射治疗计划，利用剂量-体积直方图(dose-volume histogram，DVH)统计不同模体中OAR和靶区的相关剂量参数、靶区适形度指数和靶区均匀性指数，对两种计划设计所需总优化时间、人工调停次数以及机器跳数(MU)进行比较。

靶区适形度指数计算为公式1：

式中VTref为参考等剂量面包绕的靶区体积，VT为靶区体积，Vref为参考等剂量面包绕的所有区域的体积，CI越接近1，靶区适形度越好[5])。

靶区均匀性指数计算为公式2：

式中D2%为近似最大剂量，D98%为近似最小剂量，HI越接近0，靶区均匀性越好[6-7]。

1.5 计划设计参数

(1)计划中心点：①多靶区模体计划中心点取在中间靶区的中心点；②前列腺模体计划中心点取在PTV的中心点；③头颈模体计划中心点取在PTV的中心点；④Cshape结构模体计划中心点取垂直方向距离PTV中心2.5 cm处。

(2)计划参数：计划设计使用Axesse型加速器，能量为6 MV；多靶区和前列腺模体计划设计时使用7野均分布野，机架角度为150°、100°、50°、0°、310°、260°和210°，头颈和Cshape模体计划设计时使用9野均分布野，机架角度为179°、140°、100°、60°、20°、340°、300°、260°和220°。

1.6 计划系统参数

在计划设计过程中，系统参数如果保持默认很难达到目标值，自动计划在自动优化时也因达不到设定目标值很容易报错。经过反复调试，对每个放射治疗计划均将其默认参数进行修改，其参数值见表1。

1.7 剂量评价指标

在多靶区模体中比较99%靶区所对应的剂量(D99)和10%靶区所对应的剂量(D10)；在前列腺模体中比较计划靶区PTV的D95和D5，直肠和膀胱的D30和D10；在头颈模体中比较PTV的D99、D90和D20，脊髓的最大剂量(Dmax)，以及腮腺的D50；在Cshape模体中比较PTV的D95和D10，脊髓的D10。

2 结果

2.1 多靶区模体

在多靶区模体中，当两种计划方式都达到靶区剂量D99的要求时，Auto-IMRT的D10值未做到目标值，Superior和Inferior靶区的CI和HI更优，但对于Central靶区Manual-IMRT的靶区CI和HI更优，见表2。

表1 计划系统参数调整

表2 多靶区模体

2.2 前列腺模体

前列腺模体中，当Auto-IMRT和Manual-IMRT均达到靶区剂量D95＞7560时，Auto-IMRT计划靶区CI和HI更优；但对于直肠和膀胱的保护，Manual-IMRT稍好，见表3。

2.3 头颈模体

当靶区剂量D90、D99达到目标时，Auto-IMRT靶区CI和HI更优，Manual-IMRT计划靶区D20更低，对腮腺的保护更好，见表4。

2.4 Cshape简单模体

当靶区剂量D95=5000时，Auto-IMRT的靶区D10更低，靶区CI和HI更优，脊髓剂量无明显差异，见表5。

2.5 C形复杂模体

当靶区剂量D95=5000时，Auto-IMRT的靶区D10更低，靶区CI和HI更优，脊髓剂量无明显差异，见表6。

表3 前列腺模体

表4 头颈模体

图5 人工调试次数、优化时间和机器跳数

表5 Cshape简单模体

2.6 人工调试次数、优化时间和机器跳数

不同模体的Manual-IMRT和Auto-IMRT计划的人工调试次数(次)，计划总优化时间(min)和机器跳数(MU)见图5。计划调试次数和总优化时间为不计已达到不同模体中剂量目标而继续调试后结果无改善的调试次数和优化时间。

3 讨论

IMRT能够调节每一射野的输出强度，从而使得特殊形状的肿瘤也能实现在三维空间上高剂量分布与靶区的三维形状一致[8]。目前，人工调试方式的放射治疗计划需要不断根据优化结果更改目标参数，同时不同剂量师计划优化的差异和人工的失误也影响着放射治疗计划的质量。然而，随着优化算法的不断发展，特别是一些依靠机器学习的自动计划，现在已经能够做到设计一个放射治疗计划不需要或者只需要很少的人工干预调试[1-2，9-10]。

本研究分别应用Pinnacle39.10计划系统的Auto-IMRT计划和Manual-IMRT计划模块以AAPM第119号报告中所使用标准剂量验证模体和剂量目标作为客观评价标准分别设计IMRT计划，然后对比实验结果发现：在多靶区模体中，Auto-IMRT计划Superior和Inferior靶区的CI和HI更优，但对于Central靶区Manual-IMRT的靶区CI和HI更优，自动计划的机器跳数更高，人工调试次数低于手动计划；在前列腺模体，自动计划中靶区D5、CI、HI、调试次数和优化时间均优于手动计划，直肠剂量、膀胱剂量和机器跳数略高于手动计划，但都远比常规直肠限量要求低；在头颈模体中，手动计划对于OAR的保护略好，靶区D99、CI、HI、机器跳数、调试次数和优化时间自动计划更优；在Cshape简单剂量目标模体和复杂剂量目标模体中，脊髓的剂量无明显差异，Auto-IMRT计划的靶区热点更低，总优化时间和人工调试次数也更低。除多靶区模体中Central靶区D10外，自动与Manual-IMRT计划均能达到AAPM第119号报告中其余剂量学目标值。自动IMRT计划能够做到与Manual-IMRT计划质量相当的可用于临床的计划。Kusters等[11]使用Auto-IMRT对于头颈肿瘤的研究发现，自动计划在靶区覆盖和OAR受量上均能满足临床，计划总优化时间从4 h减少到＜30 min。Voet等[12]和Matin Buschmann等[13]使用Auto-plan技术用于前列腺癌计划设计，结果显示自动计划能做到与手动计划相当的放射治疗计划，同时计划优化时间极大降低。Krayenbuehl等[14]和Hazell等[15]使用Auto-plan技术对于鼻咽癌计划设计的研究发现自动计划在靶区的适形性略差外，靶区均匀性和OAR的保护均有优势。

Pinnacle自动IMRT计划模块能够自动生成靶区剂量跌落环，并自动添加目标函数和权重，能够根据OAR目标函数自动生成相应的剂量体积限制条件，在优化过程中减少大量的人工干预，节省剂量师大量的计划优化时间，但也由此本研究发现自动计划比手动计划提高了机器跳数，增加了计划执行的时间；Pinnacle自动IMRT计划模块能够做到与手动IMRT计划模块相当的可用于临床使用的放射治疗计划，在临床上具有可行性。但设计自动计划时仍需根据经验对基本参数进行一定的调整和修改，才能得到临床上的优势。此外，自动计划的tuning balance功能可以设置计划系统在自动优化时更倾向于靶区的设定目标或者OAR的设定目标，该参数的设置是设计自动计划的一大难点。